KR102264906B1 - 안전성이 개선된 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차 - Google Patents

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Abstract

배터리 모듈의 리드 연결부에, 과충전시 안전부재를 제공함으로써 배터리 모듈의 안전성을 향상시키는 것이다. 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 둘 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈에 있어서, 인접해 있는 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀간을 전기적으로 접속하고 있다가 과충전시 파열(rupture)됨으로써 전기 접속을 해제하는 전류 차단 배터리 셀을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

안전성이 개선된 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차 {Battery module with improved safety, battery pack comprising the battery module and vehicle comprising the same}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 과충전시 전류 흐름을 차단할 수 있도록 한 배터리 모듈에 관한 것이다. 본 발명은 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차에 관한 것이기도 하다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 인해 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 양극 활물질이 양극 집전체에 코팅된 양극판과, 음극 활물질이 음극 집전체에 코팅된 음극판이, 분리막을 사이에 두고 배치된 구조를 가진 단위 셀을 집합시킨 전극 조립체와, 이 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
리튬 이차 전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류된다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력저장장치(ESS)와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 이러한 중대형 장치에 이용되는 경우, 용량 및 출력을 높이기 위해 많은 수의 이차 전지가 전기적으로 접속되어 배터리 모듈이나 배터리 팩을 구성한다. 특히, 이러한 중대형 장치에는 적층이 용이하고 무게가 가볍다는 등의 장점으로 인해 파우치형 이차 전지가 많이 이용된다.
파우치형 이차 전지는 전극 리드가 접속된 전극 조립체가 파우치 케이스에 전해액과 함께 수납되어 밀봉된 구조를 가진다. 전극 리드의 일부는 파우치 케이스 외부로 노출되며, 노출된 전극 리드는 이차 전지가 장착되는 장치에 전기적으로 접속되거나, 이차 전지 상호간을 전기적으로 접속하는 데 사용된다.
도 1 및 도 2는 종래 배터리 모듈에서 예컨대 2개의 파우치형 이차 전지를 직렬로 연결한 상태를 도시한 도면들이다.
도면에 도시된 바와 같이, 파우치형 이차 전지(10)는 파우치 케이스(30) 외부로 인출된 전극 리드(40)를 구비한다. 전극 리드(40)는 전기적 극성에 따라 양극(+) 리드와 음극(-) 리드로 구분되며 파우치 케이스(30) 내에 밀봉되어 있는 전극 조립체(20)에 전기적으로 접속되어 있다. 즉, 양극 리드는 전극 조립체(20)의 양극판에, 음극 리드는 전극 조립체(20)의 음극판에 전기적으로 접속되어 있다.
파우치형 이차 전지(10)가 직렬로 연결되는 방식에는 여러 가지가 있을 수 있는데, 도 1은 전극 리드(40)를 절곡시킨 후 연결 바(50)를 사용하여 절곡된 전극 리드(40)에 용접해 전극 리드(40)간을 연결하는 방식을 도시하고 있으며, 도 2는 절곡된 전극 리드(40)간을 서로 겹쳐 용접해 연결하는 방식을 도시하고 있다. 도 1의 간접 연결 방식이나 도 2의 직접 연결 방식에서, 전극 리드(40)간에 연결이 이루어지는 부분을 가리켜 리드 연결부(A)라고 하면, 배터리 모듈 내의 다수의 파우치형 이차 전지(10)간은 리드 연결부(A)를 통해 서로 연결되어 있다고 할 수 있다.
한편, 과충전, 과방전, 과열, 과전류 등의 이상 상황으로부터 이차 전지를 보호해야 할 필요가 있어, 배터리 모듈이나 배터리 팩에는 이차 전지 보호 회로도 함께 구현이 되는 것이 일반적이다. 특히 이차 전지의 고에너지밀도화 및 저가화를 위해 고용량 활물질, 박막 분리막(thin separator) 및 고전압 구동과 같은 기술이 더욱 개발되어 적용됨에 따라 과충전이 문제되고 있으며, 과충전 상황에서 발화, 폭발 이슈에 대한 해결이 필요하다. 또한, 리튬 이차 전지는 가연성인 유기용매를 사용하고 있기 때문에 과충전되는 등에 의해 비정상적인 상태가 되었을 때의 안전성을 확보해 둘 필요가 있다.
그런데, 종래 리드 연결부(A)는 전류 흐름의 경로(path) 이외에 다른 기능이 없다. 예컨대 이러한 연결 구조를 가지는 배터리 모듈의 안전성 확보 기능과는 전혀 상관이 없다. 이와 같이, 종래에는 리드 연결부(A)에 과충전시 안전부재를 갖지 못하므로, 예컨대 이차 전지 보호 회로의 과충전 방지 기능이 정상적으로 동작하지 않는 경우라면 안전성이 매우 취약하다는 문제점이 있다.
최근 이차 전지 분야에서 사회적으로 가장 큰 이슈가 되고 있는 것이 안전성 문제이다. 배터리 모듈 혹은 배터리 팩의 폭발은 그것이 채용된 전자기기 혹은 자동차 등의 파손을 가져올 뿐만 아니라 사용자의 안전 위협 및 화재로 연결될 수 있다는 점에서 안전성 확보가 중요한 문제로 인식되고 있는 것이다. 이차 전지가 과충전되면 폭발 및/또는 발화의 위험이 커지게 되고, 과충전으로 인한 급격한 연소나 폭발은 인명 및 재산상의 피해를 줄 수 있다. 그러므로, 이차 전지 사용상의 안전성을 충분히 확보하기 위한 장치 도입에 대한 요구가 있다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 배터리 모듈의 리드 연결부에, 과충전시 안전부재를 제공함으로써 안전성이 향상된 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타난 구성과 구성의 조합에 의해 실현될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 둘 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈에 있어서, 인접해 있는 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀간을 전기적으로 접속하고 있다가 과충전시 파열(rupture)됨으로써 전기 접속을 해제하는 전류 차단 배터리 셀을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 배터리 셀, 제2 배터리 셀 및 전류 차단 배터리 셀 각각은 반대되는 극성의 전극 리드의 일단부가 양단에 각각 접속된 전극 조립체가 파우치 케이스에 전해액과 함께 수납 밀봉된 구조를 가지고, 상기 전극 리드의 타단부가 상기 파우치 케이스의 외부로 노출되어 있는 파우치형 이차 전지일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 배터리 셀과 전류 차단 배터리 셀이 직렬 연결되어 있고, 상기 전류 차단 배터리 셀과 제2 배터리 셀이 직렬 연결되어 있을 수 있다.
상기 제1 배터리 셀의 전극 리드와 상기 제2 배터리 셀의 전극 리드는 상기 전류 차단 배터리 셀의 전극 리드를 매개로 하여 서로 연결되어 있을 수 있다.
상기 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀은 각 전극 리드가 서로 반대 극성으로 되도록 교번되게 적층되어 있고, 상기 제1 배터리 셀의 전극 리드의 타단부와 상기 제2 배터리 셀의 전극 리드의 타단부는 적층 방향을 따라 서로를 향해 절곡되어 있으며 각 전극 리드의 절곡된 부위 사이에 상기 전류 차단 배터리 셀이 상기 적층 방향과 평행하게 놓여 각 전극 리드간이 연결되어 있는 것이 바람직하다.
상기 전류 차단 배터리 셀은 상기 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀 사이의 간격에 영향을 주지 않으면서 상기 각 전극 리드의 절곡된 부위 사이에 위치하도록 상기 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀에 비하여 소형 또는 박형인 것이 바람직하다.
상기 전류 차단 배터리 셀은 과충전시 배터리 셀 내부에서 가스 발생으로 압력이 증가됨으로써 파열되는 것임이 바람직하다.
이를 위해, 상기 전류 차단 배터리 셀은 음극판, 분리막 및 양극판이 적층되어 이루어진 전극 조립체가 전해액과 함께 파우치 케이스에 수납 밀봉되어 있으며, 상기 양극판은 양극 집전체; 및 상기 양극 집전체 상에 형성된 양극 활물질층을 포함하고, 상기 양극 활물질층에 양극 활물질, 가스 발생 물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 것일 수 있다.
상기 가스 발생 물질은 탄산리튬(Li2CO3), 탄산칼슘(CaCO3), 리튬 니켈 옥사이드(LNO: Lithium Nickel Oxide) 및 리튬 옥살레이트(Lithium oxalate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 가스 발생 물질은 상기 양극 활물질과 가스 발생 물질을 합한 중량 기준으로 0.1 내지 20 중량%의 양으로 상기 양극판에 포함되는 것일 수 있다.
상기 양극 활물질층은 상기 바인더에 의해 상기 가스 발생 물질이 서로 연결 및 고정되어 있고, 상기 가스 발생 물질 사이의 빈 공간으로 인해 형성된 기공을 갖는 다공성 구조일 수 있다.
상기 양극 활물질과 가스 발생 물질은 혼합되어 있는 것일 수 있다.
대안적으로, 상기 양극 활물질층은 프라이머층과 활물질 코팅층을 포함하며, 상기 프라이머층은 상기 가스 발생 물질, 도전재 및 바인더를 포함하고, 상기 활물질 코팅층은 상기 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 것일 수 있다.
상기 가스 발생 물질은 상기 프라이머층을 구성하는 고형분 중 90 내지 99.9 중량%의 양으로 포함될 수 있다.
상기 전류 차단 배터리 셀은 바이메탈을 상기 제1 배터리 셀 또는 제2 배터리 셀 또는 전류 차단 배터리 셀의 전극 리드에 이용함으로써 과충전시 온도 상승으로 상기 전극 리드를 휘게 하여, 상기 전류 차단 배터리 셀의 파우치 케이스가 벌어지면서 파열되는 것일 수도 있다.
그리고, 본 발명은, 배터리 팩으로서, 본 발명에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
아울러, 본 발명은, 자동차로서, 본 발명에 따른 적어도 하나의 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차를 제공한다.
본 발명에 따르면, 인접해 있는 배터리 셀들 사이에 전류 차단 배터리 셀을 포함시켜 배터리 모듈을 구성하므로, 배터리 모듈 사용시 과충전이 발생하여 상기 전류 차단 배터리 셀의 전압이 임계치인 특정 전압을 넘어가면 상기 전류 차단 배터리 셀이 파열됨으로써 전류 흐름이 차단되도록 한다. 따라서, 이차 전지 보호 회로가 동작하지 않는 경우더라도 전류의 흐름을 차단해 더 이상 충전이 되지 않도록 하는 것이 가능해, 배터리 모듈의 안전성을 높일 수 있다. 이처럼 본 발명의 배터리 모듈은 전류 차단 배터리 셀을 이용해 과충전시 자동으로 전류의 흐름을 차단하는 수단을 구현하므로, 이차 전지 보호 회로의 과충전 방지 기능과 함께 이중으로 배터리 모듈의 안전성을 확보하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 인접해 있는 배터리 셀들 사이에 전류 차단 배터리 셀을 포함시켜 직렬 연결해 전기 접속 경로를 구성해 배터리 모듈을 제공할 수 있다. 특정 전압에 도달하는 상황과 같은 과충전 발생시, 전류 차단 배터리 셀의 양극판에 포함된 가스 발생 물질로부터 가스가 발생하게 된다. 상기 전류 차단 배터리 셀은 인접해 있는 배터리 셀들 사이에 배치될 수 있을 정도로 작은 소형 또는 박형 배터리 셀로 구성할 수 있고, 내부에 발생한 가스로 인해 쉽게 파열된다. 그 결과, 인접해 있는 배터리 셀들은 전기 접속이 해제되어 전류 흐름이 차단되므로 배터리 모듈의 안전성이 확보될 수 있다.
본 발명에 따르면, 배터리 모듈의 리드 연결부에 전류 차단 배터리 셀이라는 안전부재를 갖게 할 수 있다. 안전부재로서 단순한 구조의 CID(Current Interrupt Device) 타입 커넥터나 녹아버리는 퓨즈를 이용하지 않고, "배터리 셀" 형태의 전류 차단 배터리 셀을 이용함으로써, 과충전 상황 발생시 안전하게 전류를 차단할 수 있다. 이러한 전류 차단 배터리 셀은 커넥터나 퓨즈 대비 저항 측면에서도 유리하다.
본 발명에 따르면, 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀은 변경하지 않고 전류 차단 배터리 셀만 리드 연결부에 추가하여도 안전성을 높일 수 있다. 전극 리드 안에 퓨즈를 구비해야 하는 등 기존 배터리 셀을 변경할 필요가 없다는 것이다. 또한, 본 발명의 전류 차단 원리는 접속되어 있는 배터리 셀들의 전극 리드를 파단하거나 녹이는 것이 아니다. 전류 차단 배터리 셀만을 파열시켜 전기 접속을 해제하도록 한 것이다. 이처럼 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀의 변경이 없다는 것은 배터리 모듈 양산 측면이나 셀 단위에서의 저항이 변하지 않는다는 점에서 큰 장점이다.
특히 전류 차단 배터리 셀의 양극판에 포함되는 가스 발생 물질 조절을 통해 특정 전압에서 전류 차단이 될 수 있도록 구성함으로써, 과방전이나 과전류가 아닌 "과충전" 상황에 대응하도록 한 점이 특징이다. 예를 들어, 가스 발생 물질로 탄산리튬을 이용하는 경우 과충전으로 인해 전류 차단 배터리 셀의 전압이 4.8V에 도달하면 Li2CO3 물질이 CO + CO2의 기체 형태로 분해되면서 급격하게 내부 압력이 증가하며, 이로 인해 전류 차단 배터리 셀이 파열될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 리드 연결부에 과충전시 안전부재를 제공함으로써, 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩, 그리고 이 배터리 팩을 포함하는 자동차의 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1 및 도 2는 종래 배터리 모듈에서 예컨대 2개의 파우치형 이차 전지를 직렬로 연결한 상태를 도시한 도면들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 도 4의 배터리 모듈에 포함되는 단위 배터리 셀로서 파우치형 이차 전지의 상면도이다.
도 6은 도 4의 배터리 모듈에 포함되는 전류 차단 배터리 셀의 상면도이다.
도 7은 도 4의 배터리 모듈에서 인접해 있는 두 배터리 셀 사이에 전류 차단 배터리 셀이 연결될 수 있는 양태를 개략적으로 도시한 것이다.
도 8은 도 6의 전류 차단 배터리 셀 내에 포함되는 전극 조립체 중 양극판의 일 실시예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 9는 도 6의 전류 차단 배터리 셀 내에 포함되는 전극 조립체 중 양극판의 다른 실시예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 인접해 있는 두 배터리 셀 사이에 전류 차단 배터리 셀이 연결된 양태를 개략적으로 도시한 것이다.
도 11은 본 발명 실험예에 따른 과충전 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 요소를 가리킨다.
이하에서 설명되는 실시예에 있어서, 이차 전지는 리튬 이차 전지를 일컫는다. 여기서, 리튬 이차 전지라 함은 충전과 방전이 이루어지는 동안 리튬 이온이 작동 이온으로 작용하여 양극판과 음극판에서 전기화학적 반응을 유발하는 이차 전지를 총칭한다.
한편, 리튬 이차 전지에 사용된 전해질이나 분리막의 종류, 이차 전지를 포장하는 데 사용된 전지 케이스의 종류, 리튬 이차 전지의 내부 또는 외부의 구조 등에 따라 이차 전지의 명칭이 변경되더라도 리튬 이온이 작동 이온으로 사용되는 이차 전지라면 모두 상기 리튬 이차 전지의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
본 발명은 리튬 이차 전지 이외의 다른 이차 전지에도 적용이 가능하다. 따라서 작동 이온이 리튬 이온이 아니더라도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있는 이차 전지라면 그 종류에 상관 없이 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석하여야 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 배터리 모듈(100)은 둘 이상의 배터리 셀(60a, 60b, 60c, …)을 포함한다. 각 배터리 셀(60a, 60b, 60c, …)은 이차 전지일 수 있다. 각 배터리 셀(60a, 60b, 60c, …)은 양극 리드(70a, 70b, 70c,…)와 음극 리드(80a, 80b, 80c, …)를 가질 수 있다. 양극 리드(70a, 70b, 70c,…)와 음극 리드(80a, 80b, 80c, …)는 리드 연결부(B)를 통해 전기 접속됨으로써, 인접해 있는 배터리 셀(60a, 60b, 60c, …) 사이가 연결이 된다. 리드 연결부(B)는 도 1을 참조하여 설명한 바와 같은 간접 연결 방식 또는 도 2를 참조하여 설명한 바와 같은 직접 연결 방식일 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 종래에는 리드 연결부(A)에 과충전시 안전부재를 갖지 못하였다. 그러나 본 발명에서는 여러 개의 리드 연결부(B) 중 적어도 어느 하나는 전류 차단 배터리 셀(90)을 포함하게 구성한다. 전류 차단 배터리 셀(90)은 과충전시 전류 흐름을 차단하는 안전부재이다. 이차 전지는 과충전, 과방전, 과열, 과전류 등의 이상 상황으로부터 보호되어야 할 필요가 있는데, 본 발명은 그 중에서도 과충전으로부터 이차 전지를 보호할 수 있는 배터리 모듈을 제공한다.
도 3은 예를 들어, 인접해 있는 2개의 배터리 셀인 제1 배터리 셀(60a)과 제2 배터리 셀(60b) 사이에 전류 차단 배터리 셀(90)을 포함시킨 것을 도시한다. 이 전류 차단 배터리 셀(90)은 인접해 있는 제1 배터리 셀(60a)과 제2 배터리 셀(60b)간을 전기적으로 접속하고 있다가 과충전시 파열됨으로써 전기 접속을 해제하여 전류 흐름을 차단한다.
전류 차단 배터리 셀(90)도 이차 전지일 수 있다. 전류 차단 배터리 셀(90)도 양극 리드와 음극 리드를 가질 수 있다. 전류 차단 배터리 셀(90)의 양극 리드를 제1 배터리 셀(60a)의 음극 리드(80a)에 연결하고, 전류 차단 배터리 셀(90)의 음극 리드를 제2 배터리 셀(60b)의 양극 리드(70b)에 연결하면, 도 3에 도시한 바와 같은 직렬 연결 상태를 얻을 수 있다. 각 리드들 사이의 연결은 예컨대 초음파 용접, 저항 용접, 레이저 용접, 도전성 접착제 등을 통해 이루어질 수 있으나, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
전류 차단 배터리 셀(90)은 하나의 배터리 모듈(100)에 1개 이상 포함될 수 있다. 매 리드 연결부(B)마다 전류 차단 배터리 셀(90)을 포함시켜도 되나, 여러 개의 배터리 셀(60a, 60b, 60c, …)은 서로 전기적으로 접속되어 하나의 전류 흐름 경로를 가진 배터리 모듈(100)을 구성하므로, 리드 연결부(B) 중 어느 하나만 전류 차단 배터리 셀(90)을 포함하게 하여도 과충전시 전기 접속은 끊어질 수 있다.
바람직하게, 전류 차단 배터리 셀(90)은 과충전시 특정 전압에서 배터리 셀 내부에서 가스 발생으로 압력이 증가됨으로써 파열되는 것이다. 가스 발생으로 인한 내부 압력이 전류 차단 배터리 셀(90)의 전지 케이스의 밀봉 강도 이상이 되면 전지 케이스가 벌어지면서 파열되는 원리를 이용한다. 다른 예로, 전류 차단 배터리 셀(90)은 바이메탈을 이용함으로써 과충전시 온도 상승으로 바이메탈을 휘게 하여 전류 차단 배터리 셀(90)의 전지 케이스가 벌어지면서 파열되는 것일 수도 있다. 전자가 과충전시 특정 전압 이상이 될 때 전류 차단을 시키는 것이라고 하면, 후자는 과충전시 온도 상승이 수반되는 경우에 이용될 수 있는 것이라고 하겠다.
한편, 종래에 탄산리튬을 양극 활물질층에 포함시켜 양극판 저항을 크게 증가시킴으로써 과충전 종료 전압에 도달하도록 하는 기술이 알려져 있다. 본 발명에서는 탄산리튬과 같은 가스 발생 물질을 이용하기는 하되, 양극판 저항을 증가시켜 과충전 종료 전압에 도달하는 데서 그치는 것이 아니라, 가스 발생으로 인한 내부 압력 증가로 인해 전류 차단 배터리 셀(90)의 전지 케이스의 밀봉 강도 이상으로 내부 압력이 증가되면 전지 케이스가 벌어지면서 파열되도록 하여 전기적 접속 경로를 물리적으로 차단하는 것이므로 차이가 있다는 점에 유의해야 한다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 종래에는 리드 연결부(A)에 과충전시 안전부재를 갖지 못하였으나, 본 발명에서는 리드 연결부(B)에 과충전시 안전부재로서 전류 차단 배터리 셀(90)을 포함한다. 안전부재를 단순한 구조의 CID 타입 커넥터나 녹아버리는 퓨즈가 아닌 "배터리 셀" 형태로 구현하는 점에 주목하여야 한다. 이러한 점 때문에, 과충전시 안전하게 전류를 차단할 수 있는 효과가 있다. 전류 차단 배터리 셀(90)은 "배터리 셀" 형태로 구현되기 때문에 커넥터나 퓨즈 대비 저항 측면에서도 유리하다. 만약 도 1이나 도 2에 도시한 종래 기술에서 리드 연결부(A)에 퓨즈를 삽입한다면 그렇지 않은 경우보다 저항이 높을 것이다. 뿐만 아니라 퓨즈는 과충전 상황에 대응하기 어렵다. 과전류가 흐를 때 저항 발열에 의해 이차 전지의 온도가 상승하여만 퓨즈가 작동하므로, 온도 상승이 수반되지 않는 과충전 상황이라면 안전성 확보에 미흡할 것이다. 본 발명에서는 전류 차단 배터리 셀(90)을 포함하며, 이는 저항 성분으로 작용하지 않게 할 수 있어 유리하다.
본 발명에 따르면, 배터리 모듈(100)을 구성하는 배터리 셀(60a, 60b, 60c, …)은 변경하지 않고 전류 차단 배터리 셀(90)만 리드 연결부(B)에 추가하여도 안전성을 높일 수 있다. 전극 리드 안에 퓨즈를 구비해야 하는 등 기존 배터리 셀을 변경할 필요가 없다는 것이다. 또한, 본 발명의 전류 차단 원리는 접속되어 있는 배터리 셀들의 전극 리드를 파단하거나 녹이는 것이 아니다. 즉, 기존 배터리 셀을 변경하여 기계적 취약 구조 또는 일정 온도에서 녹는 구조를 마련하는 것이 아니라, 전류 차단 배터리 셀(90)만을 파열시켜 전기 접속을 해제하도록 한 것이다. 이처럼 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀의 변경이 없다는 것은 배터리 모듈 양산 측면이나 셀 단위에서의 저항이 변하지 않는다는 점에서 큰 장점이다.
배터리 모듈(100)에 포함되는 배터리 셀(60a, 60b, 60c, …)의 구체적인 종류, 개수, 연결 방식 등에 본 발명이 한정되는 것은 아니지만, 배터리 셀(60a, 60b, 60c, …)은 특히 파우치형 이차 전지일 수 있다. 전류 차단 배터리 셀(90)의 구체적인 종류, 개수, 연결 방식 등에 본 발명이 한정되는 것은 아니지만 전류 차단 배터리 셀(90)도 특히 파우치형 이차 전지일 수 있다. 이하에서는 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀과 전류 차단 배터리 셀이 모두 파우치형 이차 전지인 경우의 실시예에 대해 설명함으로써 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 것이다. 도 5는 도 4의 배터리 모듈에 포함되는 단위 배터리 셀로서 파우치형 이차 전지의 상면도이다. 도 6은 도 4의 배터리 모듈에 포함되는 전류 차단 배터리 셀의 상면도이다.
도 4의 배터리 모듈(1000)은 복수의 배터리 셀(200a, 200b, 200c, …)을 전기적 직렬로 연결한 예를 도시한다. 복수의 배터리 셀(200a, 200b, 200c, …) 각각은 도 5에 도시한 바와 같은 파우치형 이차 전지(200)이고, 서로 동일한 구조를 갖는다.
도 5를 참조하면, 파우치형 이차 전지(200)는 파우치 케이스(230) 안에 전극 조립체(210)와 전해액이 함께 수납되어 밀봉되어 있다. 파우치 케이스(230)는, 내부에 수납된 전극 조립체(210)와 전해액을 밀봉하고, 외부로부터 이들을 보호하기 위해, 금속층, 외부 수지층 및 내부 수지층을 포함하도록 구성될 수 있다.
판형으로 이루어진 양극 리드(240)와 음극 리드(250)의 일단부는 각각 전극 조립체(210)의 양단에 접속되어 있으며 각 타단부는 파우치 케이스(230) 외부로 노출되어 있다. 양극 리드(240)의 일단부는 전극 조립체(210)의 양극판에, 음극 리드(250)의 일단부는 전극 조립체(210)의 음극판에 전기적으로 접속되어 있다. 파우치 케이스(230) 바깥으로 노출된 전극 리드(240, 250)의 타단부는 도 4에서와 같이 여러 개의 파우치형 이차 전지 상호 간을 전기적으로 접속하는 데 사용된다.
파우치 케이스(230)와 전극 리드(240, 250) 사이에는 리드필름(260)이 개재된다. 리드필름(260)은 파우치 케이스(230)와 전극 리드(240, 250) 사이의 접착성을 더욱 개선하기 위해 구비되는 것이다. 리드필름(260)은 전극 리드(240, 250)와 파우치 케이스(230)의 금속층 사이에서 단락이 발생되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 파우치 케이스(230)의 밀봉성을 향상시킬 수 있다. 금속 재질의 전극 리드(240, 250)와 폴리머 재질의 파우치 케이스(230)에 열융착 시 접촉 저항이 다소 커 표면 밀착력이 저하될 수 있다. 하지만, 상기 실시예와 같이, 리드필름(260)이 구비되면, 이러한 밀착력 저하 현상이 방지될 수 있다. 또한, 리드필름(260)은 절연성 재질로 전극 리드(240, 250)에서 파우치 케이스(230)로 전류가 인가되는 것을 차단할 수 있는 것이 바람직하다. 리드필름(260)은 절연성 및 열 융착성을 갖는 필름으로 이루어진다. 리드필름(260)은 예를 들어 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET) 등으로부터 선택된 어느 하나 이상의 물질 층(단일 막 또는 다중 막)으로 이루어질 수 있다.
전극 조립체(210)는 양극판과 음극판이 분리막을 사이에 두고 배치된 구조를 가진 단위 셀을 집합시킨 것이다. 단위 셀은 단순히 적층(stack)되거나, 스택 앤드 폴딩(stack and folding)되거나, 젤리롤(jelly roll) 형태의 전극 조립체로 제조될 수 있다. 여러 가지 타입으로 전극 조립체를 제조하는 방법은 널리 알려져 있으므로 자세한 설명은 생략하기로 한다. 예를 들어, 전극 조립체(210)는 음극판, 분리막 및 양극판이 적층되어 이루어진 것일 수 있다. 전극 조립체(210)는 음극판/분리막/양극판으로 이루어진 모노셀 혹은 음극판/분리막/양극판/분리막/음극판이나 양극판/분리막/음극판/분리막/양극판으로 이루어진 바이셀 형태일 수 있다. 본 실시예에서 양극 리드(240)와 음극 리드(250)가 파우치 케이스(230)로부터 서로 반대 방향으로 인출된 형태인 양방향 전지를 예로 들고 있으나, 양극 리드(240)와 음극 리드(250) 모두가 파우치 케이스(230)로부터 일 방향으로 인출되는 단방향 전지 양태를 배제하는 것은 아니다.
도 4와 도 5를 함께 참조하면, 배터리 셀(200a, 200b)은 그 양단으로 전극 리드가 돌출되어 있고 이들 전극 리드는 서로 반대 극성이 되도록, 예컨대 배터리 셀(200a)의 양극 리드(240a)가 배터리 셀(200b)의 음극 리드(250b)와 나란히 놓이도록, 적층되어 있다. 즉, 여러 개의 배터리 셀은 나란히 놓이는 전극 리드가 서로 반대 극성으로 되도록 교번되게 적층된다. 배터리 셀(200a, 200b, 200c, …)이 직렬로 연결되는 방식에는 여러 가지가 있을 수 있는데, 도 4에서는 전극 리드(240a, 250b)의 타단부를 좌측 또는 우측으로 꺾어진 형태로 절곡시켜 평평한 접촉면을 제공하도록 한 후 이를 서로 겹치게 하여 용접으로 연결하는 구성을 도시하고 있다. 즉, 도 3에서 설명한 리드 연결부(B)를, 도 4에서는 배터리 셀 전극 리드(240a, 250b)를 절곡해 연결함으로써 마련하고 있고, 배터리 모듈(1000)의 배터리 셀(200a, 200b, 200c, …)은 이러한 리드 연결부(B)를 통해 서로 연결되어 있다.
도 4에서 전체적으로 11개의 배터리 셀이 포함되어 있다. 각 배터리 셀의 전극 리드는 수직 절곡되어서, 이웃하는 다른 배터리 셀의 전극 리드와 수직 절곡된 부분이 서로 중첩되어 리드 연결부(B)를 형성한다. 보다 구체적으로, 적층된 배터리 셀(200a, 200b, 200c, …)의 일측에서 최외각에 위치하는 전극 리드들을 제외한 안쪽의 전극 리드들은 절곡하여 서로 겹치게 한 후 절곡된 전극 리드 부분들을 전기적으로 연결한다. 적층된 배터리 셀(200a, 200b, 200c, …)의 타측에서는 전극 리드들을 모두 절곡하여 서로 겹치게 한 후 용접해 절곡된 전극 리드 부분들을 전기적으로 연결한다.
도 4에서 배터리 셀(200a, 200b, 200c, …)은 세로 방향으로 세워져 적층되어 있다. 전극 리드 절곡시, 배터리 셀에서 어느 한쪽의 전극 리드는 우측(또는 배터리 모듈 외측) 방향으로 수직 절곡하고 다른 한쪽의 전극 리드는 좌측(또는 배터리 모듈 내측) 방향으로 수직 절곡한다. 이에 따라, 결합되어야 할 리드 연결부(B)는 'ㄷ'자 모양으로 서로 다른 극성의 전극 리드가 절곡되어 중첩되게 된다. 그리고, 리드 연결부(B)는 가로 방향을 따라 나란하게 배열되게 된다. 이러한 과정은 반대 과정으로 수행될 수 있는 바, 예를 들어, 전극 리드들을 먼저 절곡하여 절곡한 상태로 배터리 셀들을 적층한 후에 해당 부위를 용접할 수도 있다.
한편, 도 4에는 전극 리드들을 겹치게 하여 직접 연결하는 방식을 도시하였으나, 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이 연결 바를 이용한 간접 연결 방식도 물론 가능하다. 예를 들어, 전극 리드에 버스바를 함께 용접하여 배터리 모듈을 구성하는 경우나 전극 리드와 외부 회로를 용접해 배터리 모듈을 구성하는 경우에도 본 발명이 적용될 수 있음은 당연하다. 본 실시예의 배터리 모듈(1000)은 이러한 리드 연결부(B)에 도 6에 도시한 것과 같은 전류 차단 배터리 셀(300)이 포함되어 있다.
도 6을 참조하면, 전류 차단 배터리 셀(300)도 파우치 케이스(330) 안에 전극 조립체(310)와 전해액이 함께 수납되어 밀봉되어 있다. 전류 차단 배터리 셀(300)의 파우치 케이스(330)는, 내부에 수납된 전극 조립체(310)와 전해액을 밀봉하고, 외부로부터 이들을 보호하기 위해, 금속층, 외부 수지층 및 내부 수지층을 포함하도록 구성될 수 있다.
판형으로 이루어진 양극 리드(340)와 음극 리드(350)의 타단부가 각각 전극 조립체(310)의 양단에 접속되어 있으며 파우치 케이스(330) 외부로 노출되어 있다. 양극 리드(340)의 일단부는 전극 조립체(310)의 양극판에, 음극 리드(350)의 일단부는 전극 조립체(310)의 음극판에 전기적으로 접속되어 있다. 파우치 케이스(330)와 전극 리드(340, 350) 사이에는 리드필름(360)이 개재된다. 리드필름(360)은 파우치 케이스(330)와 전극 리드(340, 350) 사이의 접착성을 더욱 개선하기 위해 구비되는 것이다. 노출된 전극 리드(340, 350)의 타단부는 다음의 도 7에서와 같이 배터리 셀(200a, 200b) 상호간을 전기적으로 접속하는 데 사용된다.
여기서도 전극 조립체(310)는 양극판과 음극판이 분리막을 사이에 두고 배치된 구조를 가진 단위 셀을 집합시킨 것이다. 단위 셀은 단순히 적층되거나, 스택 앤드 폴딩되거나, 젤리롤 형태의 전극 조립체로 제조될 수 있다. 예를 들어, 전극 조립체(310)는 음극판, 분리막 및 양극판이 적층되어 이루어진 것일 수 있다. 전극 조립체(310)는 음극판/분리막/양극판으로 이루어진 모노셀 혹은 음극판/분리막/양극판/분리막/음극판이나 양극판/분리막/음극판/분리막/양극판으로 이루어진 바이셀 형태일 수 있다. 본 실시예에서 양극 리드(340)와 음극 리드(350)가 파우치 케이스(330)로부터 서로 반대 방향으로 인출된 형태인 양방향 전지를 예로 들고 있으나, 양극 리드(340)와 음극 리드(350) 모두가 파우치 케이스(330)로부터 일 방향으로 인출되는 단방향 전지 양태를 배제하는 것은 아니다.
도 7은 도 4의 배터리 모듈에서 인접해 있는 두 배터리 셀 사이에 전류 차단 배터리 셀이 연결될 수 있는 양태를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4와 도 7을 함께 참조하여 설명하면, 배터리 모듈(1000)에서 인접해 있는 2개의 배터리 셀 각각을 제1 배터리 셀(200a) 및 제2 배터리 셀(200b)이라고 할 때, 제1 배터리 셀(200a)과 전류 차단 배터리 셀(300)이 직렬 연결되어 있고, 전류 차단 배터리 셀(300)과 제2 배터리 셀(200b)이 직렬 연결되어 있다. 구체적으로, 전류 차단 배터리 셀(300)의 음극 리드(350)는 제1 배터리 셀(200a)의 양극 리드(240a)와 연결되고, 전류 차단 배터리 셀(300)의 양극 리드(340)는 제2 배터리 셀(200b)의 음극 리드(250b)와 연결되어 있다. 이와 같이 제1 배터리 셀(200a)의 양극 리드(240a)와 제2 배터리 셀(200b)의 음극 리드(250b)는 전류 차단 배터리 셀(300)의 전극 리드(340, 350)를 매개로 하여 서로 연결됨으로써, 제1 및 제2 배터리 셀(200a, 200b)이 전기적으로 접속되어 있다. 상기 연결은 당업계에서 통상적으로 이루어지는 방법에 의해 이루어질 수 있으며, 예컨대, 초음파 용접에 의해 결합 및 연결될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 배터리 셀(200a)의 양극 리드(240a)와 제2 배터리 셀(200b)의 음극 리드(250b)가 직접 연결이 되지 않아도 배터리 모듈(1000) 저항에는 문제가 없다. 그리고 도 4 배터리 모듈(1000)에서 도시한 배터리 셀(200a, 200b, 200c,…)간 간격을 유지하기 위하여, 전류 차단 배터리 셀(300)이 연결되는 부분의 전극 리드만 다른 부분의 전극 리드에 비해 짧은 길이로 구성하여도 좋다.
본 발명에서 전류 차단 배터리 셀(300)에 의해 전기적으로 접속되는 인접해 있는 두 배터리 셀의 위치는 특별히 제한되지 않는다. 예컨대, 배터리 모듈(1000) 중간에 있는 배터리 셀들이 전류 차단 배터리 셀(300)에 의해 전기적으로 접속될 수 있으며, 또는, 배터리 모듈(1000) 최외곽에 있는 배터리 셀들이 전류 차단 배터리 셀(300)에 의해 전기적으로 접속될 수 있다.
전류 차단 배터리 셀(300)의 사이즈는, 전류 차단 배터리 셀(300)이 배치되는 공간을 고려하여야 결정되어야 한다. 본 실시예에서는 제1 배터리 셀(200a)의 양극 리드(240a)의 타단부와 제2 배터리 셀(200b)의 음극 리드(250b)의 타단부가 제1 및 제2 배터리 셀(200a, 200b)의 적층 방향을 따라 서로를 향해 절곡되어 있으며, 각 전극 리드(240a, 250b)의 절곡된 부위 사이에 전류 차단 배터리 셀(300)이 상기 적층 방향과 평행하게 놓여 각 전극 리드(240a, 350, 340, 250b)간이 연결되게 되어 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, 전류 차단 배터리 셀(300)은 제1 배터리 셀(200a)과 제2 배터리 셀(200b) 사이의 간격에 영향을 주지 않으면서 각 전극 리드(240a, 250b)의 절곡된 부위 사이에 위치하도록 제1 배터리 셀(200a) 및 제2 배터리 셀(200b)에 비하여 소형 또는 박형인 것이 바람직하다.
예를 들어, 전류 차단 배터리 셀(300)의 사이즈는, 인접한 2개의 배터리 셀에서 전극 리드가 인출되는 2곳의 간격(거리)보다 작게 설계되는 것이 바람직하다. 또한, 인접한 배터리 셀의 전극 리드와의 용접이 용이하게 이루어지도록, 전류 차단 배터리 셀(300)은 인접한 배터리 셀의 전극 리드 두께와 동일하거나 크게 차이를 갖지 않는 것이 바람직하다. 이와 같이 전류 차단 배터리 셀(300)을 소형 또는 박형으로 하면, 전류 차단 배터리 셀(300)을 리드 연결부(B)에 장착하기만 하면 되므로, 전류 차단 배터리 셀(300) 장착을 위해 별도의 공간을 할애하지 않아도 되는 장점이 있다.
본 실시예에서 전류 차단 배터리 셀(300)은 인접해 있는 제1 배터리 셀(200a)과 제2 배터리 셀(200b)간을 전기적으로 접속하고 있다가 과충전시 파열됨으로써 전기 접속을 해제한다. 제1 배터리 셀(200a)과 제2 배터리 셀(200b) 사이의 전기 접속은, 배터리 모듈(1000)의 과충전, 예컨대 배터리 모듈(1000)이 특정 전압, 예컨대, 5.0 V에 도달하였을 때, 전류 차단 배터리 셀(300)에서 가스가 발생하게 되어 전류 차단 배터리 셀(300)이 파열될 때 끊어지도록 해, 이에 따라 과충전에 대한 안전성이 확보될 수 있다.
이처럼 본 실시예에 따르면, 인접해 있는 배터리 셀(200a, 200b) 사이에 전류 차단 배터리 셀(300)을 포함시켜 직렬 연결해 전기 접속 경로를 구성할 수 있다. 특정 전압에 도달하는 상황과 같은 과충전 발생시, 전류 차단 배터리 셀(300)은 그 양극판에 포함된 가스 발생 물질로부터 가스가 발생하게 구성할 수 있다. 전류 차단 배터리 셀(300)은 인접해 있는 배터리 셀(200a, 200b) 사이에 배치될 수 있을 정도로 작은 소형 또는 박형 배터리 셀로 구성할 수 있고, 내부에 발생한 가스로 인해 쉽게 파열된다. 그 결과, 인접해 있는 배터리 셀(200a, 200b)은 전기 접속이 해제되어 전류 흐름이 차단되므로 배터리 모듈(1000)의 안전성이 확보될 수 있는 것이다.
도 8은 도 6의 전류 차단 배터리 셀 내에 포함되는 전극 조립체 중 양극판의 일 실시예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8을 참조하면, 양극판(320)은 양극 집전체(322) 및 양극 활물질층(324)을 포함한다.
양극 활물질층(324)은 양극 집전체(322) 상에 형성되어 있으며, 양극 활물질, 가스 발생 물질(325), 도전재 및 바인더를 포함한다. 양극 활물질과 가스 발생 물질(325)은 혼합되어 있을 수 있다. 즉, 가스 발생 물질(325)이 양극 활물질층(324)에 골고루 분포될 수 있다. 따라서, 양극판(320) 형성시, 가스 발생 물질(325)을 양극 활물질, 도전재와 함께 바인더의 용액에 투입하고 교반하여, 가스 발생 물질 블렌딩 양극 활물질 슬러리를 형성한 후에 양극 집전체(322)의 양면 중 적어도 일면에 코팅하여 양극 활물질층(324)으로 형성시킬 수 있다. 필요에 따라 가스 발생 물질 블렌딩 양극 활물질 슬러리 코팅 후 건조 및 압연 단계를 거칠 수 있다.
본원 명세서에서 '가스 발생 물질'이라 함은 특정 전압에서 가스를 발생시키는 물질을 의미하는 것으로, 비제한적인 예로 탄산리튬(Li2CO3), 탄산칼슘(CaCO3), 리튬 니켈 옥사이드(LNO: Lithium Nickel Oxide), 리튬 옥살레이트(Lithium oxalate) 등을 들 수 있다. 바람직하게, 양극 활물질층(324)에 포함되는 가스 발생 물질(325)은 탄산리튬, 탄산칼슘, 리튬 니켈 옥사이드 및 리튬 옥살레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
특히 전류 차단 배터리 셀(300)의 양극판(320)에 포함되는 가스 발생 물질(325) 조절을 통해 특정 전압에서 전류 차단이 될 수 있도록 구성할 수 있다. 가스 발생 물질(325)은 전지 모델에 따라 과충전 전압이라고 설정한 특정 전압에서 분해되어 기체화될 수 있는 것을 선정한다. 예를 들어 통상 과충전 상태라고 볼 수 있는 4.5V 이상이 되면 전류를 차단시켜 충전을 중지할 수 있어야 한다. 가스 발생 물질(325) 중 예를 들어 탄산리튬은 4.8V 이상에서 분해되므로 적합하다. 예를 들어, 가스 발생 물질(325)로 탄산리튬을 이용하는 경우 과충전으로 인해 4.8V에 도달하면 Li2CO3 물질이 CO + CO2의 기체 형태로 분해되면서 급격하게 내부 압력이 증가하며, 이로 인해 전류 차단 배터리 셀(300)이 파열될 수 있다.
가스 발생 물질(325)은 양극 활물질과 가스 발생 물질(325)을 합한 중량 기준으로 0.1 내지 20 중량%의 양으로 양극판(320)에 포함될 수 있다. 가스 발생 물질(325)이 상기 함량으로 포함되는 경우에 과충전시 가스를 발생시켜 전류 차단 배터리 셀(300)이 파열되도록 할 수 있다.
가스 발생 물질(325) 입자들, 특히 탄산리튬 입자는 예컨대, 구형(sphere), 타원형, 다각형과 같은 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본원 명세서에서 '구형', '타원형'이라 할 때, 이는 완전한 '구형', '타원형' 만을 의미하는 것이 아니라, 찌그러진 부분을 포함하거나 통상적으로 용인할 수 있는 수준의 구형, 타원형을 의미하는 폭넓은 의미이다. 이러한 탄산리튬 입자는 0.1 내지 50 ㎛ 입경을 가질 수 있다.
전류 차단 배터리 셀(300)에 사용되는 양극 활물질은 특별히 제한되지 않으며, 배터리 모듈(1000)에 사용되는 배터리 셀(200a, 200b, 200c, …)의 양극 활물질과 동일하거나 상이할 수 있다. 예컨대, 상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1 + xMn2 - xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1 - xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2 - xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; LiNixMn2 - xO4 (x = 0.01 ~ 0.6 임)등의 스피넬 구조의 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 휘스커; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
바인더는 활물질, 가스 발생 물질 및 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화 비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브타디엔 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
양극 활물질층(324)은 이러한 바인더에 의해 가스 발생 물질(325)이 서로 연결 및 고정되어 있고, 가스 발생 물질(325)간의 빈 공간으로 인해 형성된 기공을 갖는 다공성 구조가 될 수 있다. 이렇게 형성된 기공을 갖는 다공성 구조는 조립된 전지 안에서 전해질, 특히 전해액과의 반응 면적을 증가시킨다. 따라서 가스 발생이 더 활발히 이루어진다. 전해액으로 채워지지 않은 기공은 발생된 가스가 퍼져나가는 이동 경로를 형성할 수도 있다. 가스 발생 물질(325)이 효율적으로 기능하기 위해서는 양극 활물질층(324)의 반응 면적을 넓히는 것이 중요하다. 좁은 면적에 형성되는 경우라도 넓은 표면적을 가질 수 있도록 형성하면 좋다. 이를 위해서 양극 활물질층(324) 안에 작은 기공을 많이 형성할 수 있으며, 예를 들어 가스 발생 물질(325) 입자들의 크기를 조절함으로써 원하는 결과에 도달할 수 있다.
전류 차단 배터리 셀(300)의 양극판(320)은 양극 활물질층(324)에 충진제와 같은 첨가제를 필요에 따라 더 포함할 수 있다. 충진제는 양극 활물질층(324)의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올레핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
양극 집전체(322)는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체(322)는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 양극 집전체(322)는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
전류 차단 배터리 셀(300)의 전극 조립체(310)에 포함되는 음극판은 음극 집전체 상에 음극 활물질 슬러리를 도포, 건조 및 프레싱하여 제조될 수 있으며, 필요에 따라 전술한 바와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다. 음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체(322)와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), AuxMe1 - xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; AuO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료; 티타늄 산화물; 리튬 티타늄 산화물 등을 사용할 수 있다.
전류 차단 배터리 셀(300)에서 분리막은 양극판(320)과 음극판 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
전류 차단 배터리 셀(300)에서 사용되는 전해액은 전해액과 리튬염으로 이루어질 수 있으며, 상기 전해액으로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
도 9는 도 6의 전류 차단 배터리 셀 내에 포함되는 전극 조립체 중 양극판의 다른 실시예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 9를 참조하면, 양극판(320')은 양극 집전체(322), 프라이머층(326) 및 활물질 코팅층(327)을 포함한다.
프라이머층(326)은 양극 집전체(322) 상에 형성되어 있으며, 가스 발생 물질(325), 도전재 및 바인더를 포함한다. 활물질 코팅층(327)은 프라이머층(326) 상에 형성되어 있으며, 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함한다. 즉, 본 실시예에서, 가스 발생 물질(325)은 활물질 코팅층(327)에는 포함되어 있지 않다.
따라서, 양극판(320') 형성시, 가스 발생 물질(325)을 도전재와 함께 바인더의 용액에 투입하고 교반하여, 가스 발생 물질 슬러리를 형성한 후에 양극 집전체(322)의 양면 중 적어도 일면에 코팅하여 프라이머층(326)을 먼저 형성한 다음, 양극 활물질, 도전재, 바인더를 포함하는 양극 활물질 슬러리를 형성해 프라이머층(326) 위에 코팅함으로써 활물질 코팅층(327)을 형성시킬 수 있다.
이 때, 가스 발생 물질(325)은 프라이머층(326)을 구성하는 고형분 중 90 내지 99.9 중량%의 양으로 포함됨이 바람직하다. 가스 발생 물질(325)의 함량이 상기 하한치보다 적게 함유되는 경우에는 전기 저항이 불충분하게 증가하게 되고, 가스 발생 물질(325)의 함량이 상기 상한치보다 많은 경우에는 구성요소간 결착성 혹은 전기전도성이 부족하게 될 수 있다.
그 밖의 나머지 사항은 앞의 도 8을 참조하여 설명한 것들을 그대로 이용할 수 있다.
본 실시예에서는 양극 집전체(322)와 활물질 코팅층(327) 사이의 프라이머층(326)에서 가스가 발생하게 된다. 이로 인해 전류 차단 배터리 셀(300)이 과충전 종료 전압에 신속하게 도달함으로써 이를 포함하는 배터리 모듈(1000)의 안전성이 확보될 수 있게 된다.
앞의 실시예들에서 전류 차단 배터리 셀은 가스 발생 원리에 의하였다. 다른 실시예로서 전류 차단 배터리 셀은 온도 상승으로 휘어지는 바이메탈을 이용하는 예도 가능하다. 예를 들어, 도 4와 같은 배터리 모듈(1000)에서 인접해 있는 제1 배터리 셀(200a) 또는 제2 배터리 셀(200b) 또는 전류 차단 배터리 셀(300)의 전극 리드에 바이메탈을 이용함으로써 과충전시 온도 상승으로 상기 전극 리드를 휘게 하여, 상기 전류 차단 배터리 셀(300)의 파우치 케이스(330)가 벌어지면서 파열되도록 할 수도 있다. 그 중 도 10은 제1 배터리 셀(200a)의 양극 리드(240a')를 바이메탈로 구성한 예를 도시한다.
도 10을 참조하면, 제1 배터리 셀(200a)의 양극 리드(240a')가 바이메탈로 구성되고, 상기 양극 리드(240a')의 단부가 접착부재(500)를 통해 전류 차단 배터리 셀(300)에 부착되어 있다.
상기 바이메탈은 열팽창 계수가 큰 금속이 리드의 하부(242)를 구성하여 전류 차단 배터리 셀(300)의 음극 리드(350)와 연결되고, 열팽창 계수가 작은 금속이 리드의 상부(241)를 구성하도록 제조된다. 상기 열팽창 계수가 큰 금속의 비제한적인 예로는 구리/아연 합금, 니켈/몰리브덴/철 합금, 니켈/망간/철 합금을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 열팽창 계수가 작은 금속의 비제한적인 예로는 니켈/철 합금을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
접착부재(500)는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예컨대, 절연성 양면테이프 혹은 접착제일 수 있다.
상기 바이메탈로 제조된 제1 배터리 셀(200a)의 양극 리드(240a')는, 과충전에 의해 발열 발생시 열팽창 계수의 차이로 인해 전류 차단 배터리 셀(300)로부터 멀어지는 방향으로 휘어지게 되며, 이 때 접착부재(500)에 의해 제1 배터리 셀(200a)의 양극 리드(240a')에 부착되어 있는 전류 차단 배터리 셀(300)의 파우치 케이스(330)가 파열되면서 전류 차단이 더 용이하게 이루어질 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 제1 배터리 셀(200a)의 양극 리드(240a')를 바이메탈로 제조하는 경우를 예로 들었으나, 전류 차단 배터리 셀(300)의 전극 리드를 바이메탈로 구성하는 경우도 물론 가능하다. 이 때, 기존 배터리 셀의 변경이 없기 때문에 양산 측면이나 셀 단위에서의 저항이 변하지 않는다는 점은 앞의 실시예보다 더 우수할 것이다.
이상 상술한 본 발명의 구성에 의하면, 전류 차단 배터리 셀이 리드 연결부에 포함되어 있으므로 과충전시 전류 차단 배터리 셀이 파열됨으로써 전류 흐름이 차단되는 효과가 있다. 따라서 예컨대 이차 전지 보호 회로의 과충전 방지 기능이 정상적으로 동작하지 않더라도 전류의 흐름을 차단해 더 이상 충전이 되지 않도록 하는 것이 가능하다. 또한, 리드 연결부에 전류 차단 배터리 셀이 포함되어 있으므로 전류 차단 배터리 셀 장착을 위해 별도의 공간을 할애하지 않아도 되는 장점이 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은 우수한 안전성을 가지므로 고온 안정성 및 긴 사이클 특성과 높은 레이트 특성 등이 요구되는 중대형 장치의 전원으로 사용되기에도 적합하다. 상기 중대형 장치의 바람직한 예로는 전기적 모터에 의해 동력을 받아 움직이는 파워 툴(power tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart); 및 ESS 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 본 발명 실험예에 따른 과충전 실험 결과를 설명함으로써 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
양산 전지를 실험실 규모에서 작은 크기로 축소하여 배터리 셀(200a, 200b)을 제조하고, 이것보다 더 작은 전류 차단 배터리 셀(300)을 제조해, 도 7과 같이 전극 리드들을 연결한 실험용 단위 모듈을 마련하여 과충전 실험을 진행하였다. 배터리 셀(200a, 200b)과 전류 차단 배터리 셀(300)의 제조 방법은 일반적인 파우치형 이차 전지 제조 방법을 따랐다.
배터리 셀(200a, 200b)의 제조 방법은 다음과 같았다. 대략 15 ~ 20 ㎛의 D50을 가진 LiCoO2 양극 활물질, 도전재인 Super P 및 바인더 고분자인 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride)를 중량비 92:4:4으로 혼합한 후, NMP(N-methyl pyrrolidone)를 첨가하여 양극 활물질 슬러리를 제조하였다. 이렇게 제조된 양극 활물질 슬러리를 알루미늄 호일로 된 양극 집전체 상에 도포한 후, 120℃의 진공오븐에서 건조하여 양극판을 제조하였다.
한편, MCMB(mesocarbon microbead)를 음극 활물질로 사용하고, 도전재로는 super P 및 바인더로는 PVdF를 각각 사용하여 92:2:6의 비율(중량비)로 혼합하고, NMP에 분산시켜 음극 활물질 슬러리를 제조한 후, 구리 호일로 된 음극 집전체 상에 도포한 후, 건조하여 음극판을 제조하였다.
이렇게 제조된 양극판과 음극판 사이에 폴리에틸렌 분리막을 사용하여 전극 조립체를 제조하였다. 상기 전극 조립체에 전극 리드를 접속한 후 파우치 케이스에 넣고, 1 M의 LiPF6이 녹아있는 부피비 1:1의 에틸렌카보네이트(EC)와 디메틸카보네이트(DMC) 용액을 전해질로 주입한 다음, 밀봉하였다.
전류 차단 배터리 셀(300)의 제조 방법은 양극 활물질층에 가스 발생 물질을 더 포함시킨 점, 전류 차단 배터리 셀(300)을 배터리 셀(200a, 200b)의 전극 리드 크기 정도로 작고 얇게 만든 점을 제외하고는 앞의 배터리 셀(200a, 200b) 제조 방법과 유사하게 하였다. 가스 발생 물질로는 입경이 5.0 ㎛인 탄산리튬을 사용하였다.
도 7과 같은 연결 상태를 만들기 위해 배터리 셀(200a)의 전극 리드와 전류 차단 배터리 셀(300)의 전극 리드를 초음파 용접으로 연결하였고, 전류 차단 배터리 셀(300)의 다른 전극 리드를 배터리 셀(200b)의 전극 리드에 연결하여 직렬 접속하였다.
직렬 접속된 단위 모듈에 대해 과충전 실험은 2가지 스텝(step)으로 진행하였다. 먼저, 상온(25 ℃) 및 상압에서 CC-CV 충전해 SOC 100% 상태를 만들었으며(제1 스텝: SOC 100% setting), 과충전 테스트를 위해 상온 및 상압에서 CC 충전을 SOC 100%에서부터 시작해 전류 차단 배터리 셀(300)이 전류 차단을 할 수 있는지 SOC를 계속 증가시켜 검증하는 조건이었다(제2 스텝: 과충전). 과충전 평가는 충방전 시험장치를 이용하였다. 배터리 셀(200a, 200b) 및 전류 차단 배터리 셀(300)의 각 전극 리드에 충방전 시험장치의 단자 채널을 연결하여, 과충전을 시키면서 각 배터리 셀의 전압(풀 셀 전압)을 측정하였다. 충방전 시험장치는 여러 기기 제조 회사에서 출시되어 있으며, 예를 들어 Hioki사의 하이테스터와 같은 기기를 이용할 수 있다.
그 결과를 도 11에 도시하였다. 도 11은 본 발명 실험예에 따른 과충전 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11을 참조하면 SOC 100%에서부터 과충전 진행에 따라 배터리 셀(200a, 200b) 및 전류 차단 배터리 셀(300)의 전압이 약 4.4V에서부터 서서히 증가한다. 과충전 진행에 따라 전류 차단 배터리 셀(300)의 전압은 배터리 셀(200a, 200b)의 전압보다 상승 속도가 빠르다. 이는 전류 차단 배터리 셀(300)이 배터리 셀(200a, 200b)보다 소형이고 용량이 작기 때문이다. 예를 들어 배터리 셀(200a, 200b)이 40mAh 셀이라고 하면 전류 차단 배터리 셀(300)은 10mAh 셀이라고 할 수 있을 정도로 작기 때문에, 같은 크기의 충전 전류 입력에 대해 전류 차단 배터리 셀(300)의 전압이 더 빠르게 커진다. 전류 차단 배터리 셀(300)의 전압이 증가하다가 약 4.9V 이상이 되면 전류 차단 배터리 셀(300) 내부의 가스 발생이 빨라지기 때문에 전지 전압은 급속도로 상승한다. SOC 130%되는 지점에서 전류 차단 배터리 셀(300)은 0V로 전압 강하를 보인다. 전류 차단 배터리 셀(300)이 내부 압력을 견디지 못하고 파열된 결과, 전류 차단 배터리 셀(300)의 전압 측정이 불가한 것이다. 배터리 셀(200a, 200b)의 전압은 SOC 130% 이후에 일정하여 OCV(개방회로전압)로 수렴한다. 충전 전류는 계속 공급되고 있지만 전류 차단 배터리 셀(300)의 파열로 전기 접속 경로가 차단되었기 때문이다. 따라서, 본 실험을 통하여, SOC 130%, 배터리 셀(200a, 200b)의 전압이 4.8V 이상이 된 과충전 상황 발생시 전류 차단 배터리 셀(300)이 안전부재로서 효과적으로 작동하였음을 확인하였다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다. 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 배터리 팩(1200)은, 앞선 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈, 예컨대 두번째 실시예의 배터리 모듈(1000) 및 그것을 패키징하는 팩 케이스(1210)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩(1200)은, 이러한 배터리 모듈(1000)과 팩 케이스(1210) 이외에 배터리 모듈(1000)의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
이러한 배터리 팩(1200)은 자동차(1300)의 연료원으로써, 자동차(1300)에 구비될 수 있다. 예로써, 배터리 팩(1200)은 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 기타 배터리 팩(1200)을 연료원으로써 이용할 수 있는 기타 다른 방식으로 자동차(1300)에 구비될 수 있다.
바람직하게, 자동차(1300)는 전기자동차일 수 있다. 배터리 팩(1200)은 전기자동차의 모터(1310)에 구동력을 제공하여 자동차(1300)를 구동시키는 전기 에너지원으로 사용될 수 있다. 이 경우, 배터리 팩(1200)은 100V 이상의 높은 공칭 전압을 가진다. 하이브리드 자동차용이면 270V에 맞춰져 있다.
배터리 팩(1200)은 모터(1310) 및/또는 내연 기관의 구동에 따라 인버터(1320)에 의해 충전되거나 방전될 수 있다. 배터리 팩(1200)은 브레이크(break)와 결합된 회생충전 장치에 의해 충전될 수 있다. 배터리 팩(1200)은 인버터(1320)를 통해 자동차(1300)의 모터(1310)에 전기적으로 연결될 수 있다.
앞에서 설명한 바와 같이 배터리 팩(1200)에는 BMS도 포함되어 있다. BMS는 배터리 팩(1200) 내의 배터리 셀들의 상태를 추정하고, 추정한 상태 정보를 이용하여 배터리 팩(1200)을 관리한다. 예컨대, 배터리 팩(1200)의 SOC(State Of Charge), SOH(State Of Health), 최대 입출력 전력 허용량, 출력 전압 등 배터리 팩(1200) 상태 정보를 추정하고 관리한다. 그리고, 이러한 상태 정보를 이용하여 배터리 팩(1200)의 충전 또는 방전을 제어하며, 나아가 배터리 팩(1200)의 교체 시기 추정도 가능하다.
ECU(1330)는 자동차(1300)의 상태를 제어하는 전자적 제어 장치이다. 예컨대, 가속기(accelerator), 브레이크, 속도 등의 정보에 기초하여 토크 정보를 결정하고, 모터(1310)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다. 또한, ECU(1330)는 BMS에 의해 전달받은 배터리 팩(1200)의 SOC, SOH 등의 상태 정보에 기초하여 배터리 팩(1200)이 충전 또는 방전될 수 있도록 인버터(1320)에 제어 신호를 보낸다. 인버터(1320)는 ECU(1330)의 제어 신호에 기초하여 배터리 팩(1200)이 충전 또는 방전되도록 한다. 모터(1310)는 배터리 팩(1200)의 전기 에너지를 이용하여 ECU(1330)로부터 전달되는 제어 정보(예컨대, 토크 정보)에 기초하여 자동차(1300)를 구동한다.
이러한 자동차(1300)는 본 발명에 따른 배터리 팩(1200)을 포함하는데, 배터리 팩(1200)은 앞서 설명한 바와 같이 안전성이 향상된 배터리 모듈(1000)을 포함한다. 따라서, 배터리 팩(1200)의 안정성이 향상되며, 이러한 배터리 팩(1200)은 안정성이 뛰어나고 장시간 사용할 수 있으므로, 이를 포함하는 자동차(1300)는 안전하고 운용이 쉽다.
또한, 배터리 팩(1200)은 자동차(1300) 이외에도 이차 전지를 이용하는 ESS BMS 등 기타 다른 장치나 기구 및 설비 등에도 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.
이처럼, 본 실시예에 따른 배터리 팩(1200)과 자동차(1300)와 같은, 배터리 팩(1200)을 구비하는 장치나 기구 및 설비는 전술한 배터리 모듈(1000)을 포함하는 바, 전술한 배터리 모듈(1000)로 인한 장점을 모두 갖는 배터리 팩(1200) 및 이러한 배터리 팩(1200)을 구비하는 자동차(1300) 등의 장치나 기구 및 설비 등을 구현할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
60a, 60b, 60c, … : 배터리 셀 70a, 70b, 70c,… : 양극 리드
80a, 80b, 80c, … : 음극 리드 B : 리드 연결부
90 : 전류 차단 배터리 셀 100 : 배터리 모듈
200 : 파우치형 이차 전지 200a, 200b, 200c, … : 배터리 셀
210 : 전극 조립체 230 : 파우치 케이스
240, 240a, 240a' : 양극 리드 241 : 리드의 상부
242 : 리드의 하부 250, 250b : 음극 리드
260 : 리드필름 300 : 전류 차단 배터리 셀
310 : 전극 조립체 320, 320' : 양극판
322 : 양극 집전체 324 : 양극 활물질층
325 : 가스 발생 물질 326 : 프라이머층
327 : 활물질 코팅층 330 : 파우치 케이스
340 : 양극 리드 350 : 음극 리드
360 : 리드필름 500 : 접착부재
1000 : 배터리 모듈 1200 : 배터리 팩
1210 : 팩 케이스 1300 : 자동차
1310 : 모터 1320 : 인버터
1330 : ECU

Claims (17)

  1. 둘 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈에 있어서,
    전지 케이스를 가지며, 인접해 있는 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀간을 전기적으로 접속하고 있다가 과충전시 상기 전지 케이스가 벌어지면서 파열(rupture)하여 전기 접속을 해제하는 전류 차단 배터리 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 배터리 셀, 제2 배터리 셀 및 전류 차단 배터리 셀 각각은 반대되는 극성의 전극 리드의 일단부가 양단에 각각 접속된 전극 조립체가 파우치 케이스에 전해액과 함께 수납 밀봉된 구조를 가지고, 상기 전극 리드의 타단부가 상기 파우치 케이스의 외부로 노출되어 있는 파우치형 이차 전지인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 배터리 셀과 전류 차단 배터리 셀이 직렬 연결되어 있고, 상기 전류 차단 배터리 셀과 제2 배터리 셀이 직렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 배터리 셀의 전극 리드와 상기 제2 배터리 셀의 전극 리드는 상기 전류 차단 배터리 셀의 전극 리드를 매개로 하여 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀은 각 전극 리드가 서로 반대 극성으로 되도록 교번되게 적층되어 있고, 상기 제1 배터리 셀의 전극 리드의 타단부와 상기 제2 배터리 셀의 전극 리드의 타단부는 적층 방향을 따라 서로를 향해 절곡되어 있으며 각 전극 리드의 절곡된 부위 사이에 상기 전류 차단 배터리 셀이 상기 적층 방향과 평행하게 놓여 각 전극 리드간이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전류 차단 배터리 셀은 상기 제1 배터리 셀과 제2 배터리 셀 사이의 간격에 영향을 주지 않으면서 상기 각 전극 리드의 절곡된 부위 사이에 위치하도록 상기 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀에 비하여 소형 또는 박형인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 전류 차단 배터리 셀은 과충전시 배터리 셀 내부에서 가스 발생으로 압력이 증가됨으로써 파열되는 것임을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전류 차단 배터리 셀은
    음극판, 분리막 및 양극판이 적층되어 이루어진 전극 조립체가 전해액과 함께 파우치 케이스에 수납 밀봉되어 있으며,
    상기 양극판은 양극 집전체; 및
    상기 양극 집전체 상에 형성된 양극 활물질층을 포함하고,
    상기 양극 활물질층에 양극 활물질, 가스 발생 물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 가스 발생 물질은 탄산리튬(Li2CO3), 탄산칼슘(CaCO3), 리튬 니켈 옥사이드(LNO: Lithium Nickel Oxide) 및 리튬 옥살레이트(Lithium oxalate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 가스 발생 물질은 상기 양극 활물질과 가스 발생 물질을 합한 중량 기준으로 0.1 내지 20 중량%의 양으로 상기 양극판에 포함되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제8항에 있어서,
    바인더에 의해 상기 가스 발생 물질이 서로 연결 및 고정되어 있고, 상기 가스 발생 물질 사이의 빈 공간으로 인해 형성된 기공을 갖는 다공성 구조인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 양극 활물질과 가스 발생 물질이 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 양극 활물질층은 프라이머층과 활물질 코팅층을 포함하며,
    상기 프라이머층은 상기 가스 발생 물질, 도전재 및 바인더를 포함하고,
    상기 활물질 코팅층은 상기 양극 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 가스 발생 물질은 상기 프라이머층을 구성하는 고형분 중 90 내지 99.9 중량%의 양으로 포함되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  15. 제2항에 있어서,
    상기 제1 배터리 셀 또는 제2 배터리 셀의 전극 리드는 바이메탈로 이루어지고,
    상기 바이메탈은 열팽창 계수가 큰 금속과 열팽창 계수가 작은 금속이 적층되어 이루어진 것으로,
    열팽창 계수가 큰 금속이 상기 전류 차단 배터리 셀의 전극 리드와 결합되고,
    열팽창 계수가 큰 금속의 단부가 접착 부재에 의해 상기 전류 차단 배터리 셀의 파우치 케이스에 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및
    상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  17. 제16항에 따른 적어도 하나의 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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